软岩巷道锚注支护机理研究

陈素彬

(山西焦煤西山煤电集团吕梁公司，山西 太原 030053)

1 概 述

软弱巷道围岩的松动范围大、岩体强度低，在普通锚网喷索支护方案中，锚杆在掘进期及掘进影响早期，由于围岩未充分破碎，锚杆起到组合加固作用。锚索保持良好的悬吊作用，到了掘进影响中期、围岩流变期，由于裂隙充分发育、变形进一步增大，进而超过锚杆的应变、应力协调范围，锚杆的组合加固作用将进一步减弱，锚杆形成的组合加固层的自承能力逐步降低。此时，锚索的悬吊荷载逐步增大，如果不采用适当的后路加固措施，软岩巷道将持续变形，造成断面变形过大、喷层开裂、局部冒顶等不利于巷道稳定的现象[1]。要保持巷道稳定和满足正常生产，必须采用合理可行的支护对策和支护方案，以适应和改善各种围岩特性，以取得技术上可行、经济上合理的效果。

本文对锚注支护机理、锚注支护与围岩耦合作用原理、锚注支护的应力应变作用做了深入分析。认为锚注加固技术能保证巷道变形在控状态下，实现良好加固效果，保持巷道总体稳定。

2 注浆加固机理

注浆锚杆采用无缝钢管冷拔或焊接而成，从锚注原理来看，既可起到锚固作用，又可作为注浆管进行注浆，它将锚固和注浆结合在一起，用于软弱破碎岩层[2-5]。

注浆加固在原有支护结构的基础上，通过对在控松动围岩注浆，增强围岩本身的完整性和自承能力，起到了柔性让压和刚性支护的作用，与原有支护结构组成协调互补的耦合支护体系，使围岩、支护结构形成的矛盾统一，系统保持整体稳定。锚网喷索+锚注“三维协控耦合”支护结构如图1所示。

图1 三维协控耦合支护结构图

加固机理主要有以下几个方面[4]。

①注浆封堵裂隙，防止风、水对围岩自身强度的瓦解。②注浆将松散破碎围岩胶结成整体，提高岩体自身强度，增强自承能力。③锚固作用能够作为由于变形对前期锚杆组合功能损耗的补偿，消除因锚杆组合层变形的延伸作用对锚索悬吊荷载及效果的不利影响。④注浆与喷层耦合，使荷载均匀分布。⑤锚注与原有支护结构形成交叉叠加承载圈，使围岩与支护结构协调为矛盾统一体，共同保持巷道稳定。

锚注加固施工须注意以下两点。

①必须结合现场观测及围岩物理力学特性，准确把握围岩变形过程，使其既形成裂隙又保持在控。需要恰当把握注浆加固时间及其与迎头的距离，在围岩处于残余应力、应变之前，实现在控锚注。②注浆参数要视具体情况，动态调整，做到填充已有裂隙，不产生新的有害裂隙。

3 锚注支护和围岩共同作用分析

锚注支护的简化流程为：巷道成形→临时支护→初喷→打锚杆→挂梁铺网→全断面锚杆质量检查→滞后迎头20～30m或7d左右安装锚索→复喷→滞后迎头50～80m或15～20d左右注浆。

从支护时间来看，注浆支护要滞后巷道开掘50～80m或15～20d左右。当围岩变形处于塑性软化段或塑性软化段与残余强度的临界段较合理，具体时间要结合巷道围岩变形实际。因为过早锚注，巷道处于掘进影响期，围岩裂隙处于发展阶段，一方面注浆难，另一方面浆液强度较低时，会被继续形成裂隙的较大应力破坏；残余强度之后锚注，围岩残余强度已大幅降低，变形量过大对前期支护已形成破坏，前期支护不能发挥应有作用，后期锚注缺少前期支护必备的耦合结构，不能形成协调在控耦合支护整体，对巷道整体稳定不利。

3.1 在残余应力区锚注后的应力应变及位移的变化

3.2 锚注区的应力和位移

3.2.1 应力、位移计算

该区处于塑性区与残余强度区之间，应力和位移的表达式同残余强度区的应力和位移表达式，故先推倒残余强度区的应力和位移公式。

边界条件

基本条件

假定残余强度区体积变形为零，即

(1)

残余强度区围岩变形符合塑性力学理论，几何方程、库仑准则极限方程和平衡微分方程如下：

(2)

(3)

(4)

式(4)代入式(1)，解得位移

(5)

将式(3)代入式(2)，应力计算得

(6)

3.2.2 应力、位移和锚注参数的关系

三维协控耦合支护技术中，后路锚注加固前后“三区”对比，如图2所示。

图2 锚注加固前后“三区”对比

4 结 论

通过以上分析，对软岩巷道锚注支护机理研究得到以下结论：

(1)对于软岩巷道，单纯提高支护强度和刚度不能从根本上解决问题，简单的联合支护方式也不能取得预期效果，关键在于在适当的时空过程中改善围岩特性。

(2)由于软岩巷道具有长期流变性，巷道支护必须采用三维协控耦合理论进行设计，即首先采用必要的锚喷网，保证及时支护，保证巷道在可控状态下的变形，在后路采用加固措施，以提高围岩的自承能力，并阻止长期流变。

(3)锚注加固能从根本上改善围岩力学特性，减小围岩的变形，提高自承能力。而加固效果好坏的关键，是施工时间、空间与围岩特性的耦合程度。

[1] 李明远，王连国，易恭猷，等．软岩巷道理论与实践[M]．北京：煤炭工业出版社，2001.

[2] 王连国．锚注支护技术在砌碹巷道修复加固中的应用[J]．矿业研究与开发，2000,20(3)：45-48.

[3] 陆士良，汤雷，杨新安．锚杆锚固力与锚固技术[M]．北京：煤炭工业出版社，1998.

[4] 张农．软岩巷道滞后注浆围岩控制研究[D]．徐州：中国矿业大学，1999.

[5] 杨新安．软岩巷道锚注支护机理与技术的研究[D]．徐州：中国矿业大学，1995.